CN106953541A - 一种压电驱动飞行器旋翼系统及其工作方式 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电驱动飞行器旋翼系统及其工作方式，由夹心式压电换能器、上转子、下转子、预紧装置、上金属基体、下金属基体、上旋翼、下旋翼和轴组成。轴上设置有凸台及螺纹，上金属基体、下金属基体一侧设置有若干斜楔形驱动齿，上转子、下转子安装在轴上并分别与驱动齿紧密接触。预紧装置设置在轴两端，用于调节驱动齿与上转子、下转子之间的预压力。上旋翼、下旋翼分别设置在上转子、下转子上。通过激励纵振压电陶瓷组件，将其纵向振动在驱动齿处转换为具有一定相位差的纵弯复合振动，通过摩擦驱动上转子、下转子旋转运动，(从正上方往下看)带动上旋翼逆时针转动，下旋翼顺时针转动，实现平衡扭矩并提供升力的目的。

Description

一种压电驱动飞行器旋翼系统及其工作方式

技术领域：

本发明涉及一种压电驱动飞行器旋翼系统及其工作方式，其属于超声电机领域。

背景技术：

近年来，无人飞行器技术发展迅速，尤其是微型无人飞行器，作为一种比较先进的飞行器广受关注。微型无人飞行器种类丰富，按照升力产生方式可分为固定翼式、旋翼式以及扑翼式微型无人飞行器。其中，微型旋翼无人飞行器功能独特，可以实现垂直起飞和空中悬停。微型旋翼无人飞行器可按其旋翼数量及布置的特点分为单旋翼式、双旋翼式以及多旋翼式微型旋翼无人飞行器。共轴式是双旋翼式无人飞行器中的一种典型的结构形式，比起单旋翼无人飞行器，共轴式无人飞行器没有尾桨，机身较短，结构重量和载重均集中在直升机的重心处，结构相对简单紧凑。

在传统的共轴式旋翼直升机中，常采用两个半径大小不同的套筒式传动轴为传动部件，两传动轴的轴线重合，半径较大的传动轴安装下旋翼桨叶，半径较小的传动轴安装上旋翼桨叶。但是，在上旋翼系统中有一根穿过传动轴的细长轴，由于刚度和强度较低，在工作过程中可能会出现压杆失稳、疲劳断裂等问题，因而会引发灾难性的后果。

微型无人飞行器一般采用电磁电机作为其动力装置，但是在进一步微型化的过程中，随着尺寸的减小，电磁电机的输出特性明显下降，能量密度变低，转速变高，扭矩减小，需要配套的减速增扭装置，这使得结构更为复杂，可靠性降低，安全性变差。此外，电磁电机无法在强磁场等特殊环境下工作。因此，结构简单、功率密度大以及环境适应能力强成为了微型无人飞行器动力装置的需求。

超声电机是利用压电陶瓷的逆压电效应，激励压电陶瓷片使弹性体产生高频微幅振动，通过摩擦耦合实现机械能输出的微特电机。与传统电磁电机相比，超声电机具有结构易于微型化、响应速度快、无电磁干扰等技术优势。此外，超声电机摆脱了传统电磁电机中定转子构型限制，结构设计更为灵活，定转子可按需求设计成特定的形状。因此，作为一种新型驱动器，超声电机有着广泛的应用前景。

发明内容：

本发明为了解决现有技术的问题，提出了一种压电驱动飞行器旋翼系统及其工作方式，省去了复杂的传动机构，具有体积小、重量轻、功率密度大、结构紧凑、响应快、低噪声、环境适应能力强、生产成本低以及易于微型化等优点。

本发明采用如下技术方案：一种压电驱动飞行器旋翼系统，包括上旋翼、上转子、预紧装置、夹心式压电换能器、下转子以及下旋翼；

所述夹心式压电换能器由金属基体、纵振压电陶瓷组件、第二螺母和轴组成，所述金属基体包括结构相同的上金属基体和下金属基体，所述上金属基体和下金属基体的中心开有圆孔，一侧设有若干圆周分布的驱动齿，所述轴上设置有凸台，轴的中部和两端设置有螺纹，凸台及第二螺母之间从上至下将上金属基体、纵振压电陶瓷组件和下金属基体固定在轴上，所述上金属基体由轴的凸台卡住定位，下金属基体由第二螺母从下方压紧并由其提供预紧力；

所述上转子和下转子的结构相同，包括接触块与轴承，接触块外圈设置有螺纹和第一台阶，中心设置有通孔及第二台阶，轴承设置在接触块通孔内的第二台阶上，轴承外圈与接触块内壁过盈配合，轴承内圈与轴间隙配合，所述接触块的一端设置有圆形凹槽，圆形凹槽与金属基体的驱动齿紧密接触，限制驱动齿的径向移动；

所述预紧装置设置在轴上，由第一螺母、挡片以及弹簧组成，所述弹簧套在轴上，一端与挡片接触，另一端伸入接触块的通孔内与轴承接触，所述预紧装置有两组，分别布置在上转子上方和下转子下方，通过调节第一螺母来调节上转子、下转子与驱动齿之间的预压力；

所述上旋翼和下旋翼通过螺纹配合安装在接触块的外圈上。

进一步地，所述轴的内部设有以减轻自身重量的轴向孔。

进一步地，所述驱动齿为沿逆时针方向倾斜设置。

进一步地，所述纵振压电陶瓷组件由2n(n≥1)片纵振压电陶瓷片与若干电极片组成，所述纵振压电陶瓷片和电极片的横截面形状皆为环形。

进一步地，所述纵振压电陶瓷组件由四片纵振压电陶瓷片与五片电极片组成，相邻纵振压电陶瓷片之间布置一片电极片，纵振压电陶瓷片与上金属基体端面之间布置一片电极片，所述上金属基体、下金属基体、纵振压电陶瓷片和电极片按照上述顺序通过环氧树脂粘接在一起。

本发明还采用如下技术方案：一种压电驱动飞行器旋翼系统的工作方式，包括如下步骤：给纵振压电陶瓷组件施加电信号后，夹心式压电换能器产生奇数阶纵振，振动能量传递到驱动齿后，转换为具有一定相位差的纵向振动和弯曲纵振，由此复合而成纵弯复合超声振动，使驱动齿的末端的质点做椭圆运动，通过摩擦作用带动上转子、下转子沿着驱动齿倾斜的方向转动，带动上旋翼逆时针转动，下旋翼顺时针转动，实现平衡扭矩并提供升力。

本发明具有如下有益效果：本发明中纵振压电换能器采用夹心式的结构，与利用横向振动模式的贴片式结构相比，纵振压电陶瓷片工作在高机电耦合效率的纵向振动模式，能量利用效率比较高，避免了粘贴压电陶瓷片式超声电机机电耦合效率低、机械输出能力差的问题，同时本发明的压电驱动飞行器旋翼系统具有非常好的对称性，这种结构控制特性和阻抗特性上对称性有利于电机的控制。

附图说明：

图1为本发明压电驱动飞行器旋翼系统的结构示意图。

图2为本发明压电驱动飞行器旋翼系统的局部结构示意图。

图3为上金属基体结构示意图。

图4为上转子结构示意图。

图5为纵振压电陶瓷组件的布局示意图。

图6为驱动齿末端质点的运动轨迹示意图。

其中：

1：上旋翼，2：上转子，2-1：接触块，2-2：轴承，3：预紧装置，3-1：第一螺母，3-2：挡板，3-3：弹簧，4-1：驱动齿，4-2：凸台，4-3：上金属基体，4：夹心式压电换能器，4-4：纵振压电陶瓷组件，4-5：下金属基体，4-6：第二螺母，5：下转子，6：轴，7：下旋翼。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

本发明提供的压电驱动飞行器旋翼系统包括上旋翼1、上转子2、预紧装置3、夹心式压电换能器4、下转子5以及下旋翼7。夹心式压电换能器4由金属基体、纵振压电陶瓷组件4-4、第二螺母4-6和轴6组成。金属基体包括结构相同的上金属基体4-3和下金属基体4-5，上金属基体4-3的结构如图3所示，其中上金属基体4-3和下金属基体4-5均为一侧设置有八个驱动齿4-1的圆环结构，中心开有圆孔，驱动齿4-1为沿逆时针方向倾斜、圆周分布的斜楔形结构，驱动齿4-1原整体为截面是扇形的柱体结构，沿径向内侧被切割掉一部分以及沿圆周方向一侧被切割掉一部分后形成斜楔形结构。轴6上设置有凸台4-2，在中部和两端设置有螺纹，凸台4-2及第二螺母4-6之间从上至下将设置有圆孔的上金属基体4-3、纵振压电陶瓷组件4-4和设置有圆孔的下金属基体4-5固定在轴6上，上金属基体4-3由轴6的凸台4-2卡住定位，下金属基体4-5由第二螺母4-6从下方压紧并由其提供预紧力。轴6的内部设有轴向孔以减轻自身重量，同时可用于纵振压电陶瓷片和电极片的引线布置。

上转子2和下转子5的结构相同，包括接触块2-1与轴承2-2，接触块2-1外圈设置有螺纹和第一台阶，中心设置有通孔及第二台阶，轴承2-2设置在接触块2-1通孔内的第二台阶上，轴承2-2外圈与接触块2-1内壁过盈配合，轴承2-2内圈与轴6间隙配合，接触块2-1的一端设置有圆形凹槽，凹槽面与金属基体的驱动齿4-1紧密接触，同时限制驱动齿4-1的径向移动。

预紧装置3设置在轴6上，由第一螺母3-1、挡片3-2以及弹簧3-3组成；弹簧3-3套在轴6上，一端与挡片3-2接触，另一端伸入接触块2-1的通孔内与轴承2-2接触，预紧装置3有两组，分别布置在上转子2上方和下转子5下方，通过调节第一螺母3-1来调节上转子2、下转子5与驱动齿4-1之间的预压力。

如图5所示，纵振压电陶瓷组件4-4由2n(n≥1)片纵振压电陶瓷片与若干电极片组成，本实施例中的纵振压电陶瓷组件4-4由四片纵振压电陶瓷片与五片电极片组成，相邻纵振压电陶瓷片之间布置一片电极片，纵振压电陶瓷片与上金属基体4-3端面之间布置一片电极片。上金属基体4-3、下金属基体4-5、纵振压电陶瓷片和电极片按照上述顺序通过环氧树脂粘接在一起。纵振压电陶瓷片和电极片的横截面形状皆为环形。

本发明中纵振压电陶瓷组件均沿厚度方向极化，从上往下看，第一纵振压电陶瓷片和第三纵振压电陶瓷片的极化方向相同，第二纵振压电陶瓷片和第四纵振压电陶瓷片极化方向相同。

本发明中夹心式压电换能器4两端的驱动齿4-1具有放大振幅的作用，同时也是为了改变夹心式压电换能器4的振动模态，使其纵向振动模态频率和驱动齿的弯曲振动模态频率接近或相等。由于驱动齿4-1结构的不对称性以及接触块2-1的对驱动齿4-1压紧作用的影响，夹心式压电换能器4产生的纵向振动在驱动齿的末端分解为一部分纵向振动分量和一部分弯曲振动分量，且两振动分量具有一定的相位差，进而使驱动齿的末端的质点复合形成椭圆轨迹振动。

现以夹心式压电换能器4所激发出的一阶纵振模态为例对飞行器旋翼系统的工作原理进行说明，如图5所示，以sin(ωt)为信号作为例子进行说明，当对纵振压电陶瓷片组4-4施加激励信号，可激发出上金属基体4-3和下金属基体4-5的一阶纵振模态。当振动能量传递至驱动齿4-1时，由于斜楔形结构的影响，夹心式压电换能器4的纵振在驱动齿4-1处转换成具有一定相位差的纵向振动和弯曲振动，由此形成纵弯复合超声振动，使驱动齿4-3末端的质点做椭圆运动，如图6所示。同时在摩擦作用下，上金属基体4-3和下金属基体4-5上的驱动齿4-1分别带动上转子2、下转子5做(从正上方往下看)逆时针转动和顺时针转动，使安装在上转子2上的上旋翼1逆时针转动，使下转子5上的下旋翼7顺时针转动，最终实现平衡扭矩并提供升力的目的。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种压电驱动飞行器旋翼系统，其特征在于：包括上旋翼(1)、上转子(2)、预紧装置(3)、夹心式压电换能器(4)、下转子(5)以及下旋翼(7)；

所述夹心式压电换能器(4)由金属基体、纵振压电陶瓷组件(4-4)、第二螺母(4-6)和轴(6)组成，所述金属基体包括结构相同的上金属基体(4-3)和下金属基体(4-5)，所述上金属基体(4-3)和下金属基体(4-5)的中心开有圆孔，一侧设有若干圆周分布的驱动齿(4-1)，所述轴(6)上设置有凸台(4-2)，轴(6)的中部和两端设置有螺纹，凸台(4-2)及第二螺母(4-6)之间从上至下将上金属基体(4-3)、纵振压电陶瓷组件(4-4)和下金属基体(4-5)固定在轴(6)上，所述上金属基体(4-3)由轴(6)的凸台(4-2)卡住定位，下金属基体(4-5)由第二螺母(4-6)从下方压紧并由其提供预紧力；

所述上转子(2)和下转子(5)的结构相同，包括接触块(2-1)与轴承(2-2)，接触块(2-1)外圈设置有螺纹和第一台阶，中心设置有通孔及第二台阶，轴承(2-2)设置在接触块(2-1)通孔内的第二台阶上，轴承(2-2)外圈与接触块(2-1)内壁过盈配合，轴承(2-2)内圈与轴(6)间隙配合，所述接触块(2-1)的一端设置有圆形凹槽，圆形凹槽与金属基体的驱动齿(4-1)紧密接触，限制驱动齿(4-1)的径向移动；

所述预紧装置(3)设置在轴(6)上，由第一螺母(3-1)、挡片(3-2)以及弹簧(3-3)组成，所述弹簧(3-3)套在轴(6)上，一端与挡片(3-2)接触，另一端伸入接触块(2-1)的通孔内与轴承(2-2)接触，所述预紧装置(3)有两组，分别布置在上转子(2)上方和下转子(5)下方，通过调节第一螺母(3-1)来调节上转子(2)、下转子(5)与驱动齿(4-1)之间的预压力；

所述上旋翼(1)和下旋翼(7)通过螺纹配合安装在接触块(2-1)的外圈上。

2.如权利要求1所述的压电驱动飞行器旋翼系统，其特征在于：所述轴(6)的内部设有以减轻自身重量的轴向孔。

3.如权利要求1所述的压电驱动飞行器旋翼系统，其特征在于：所述驱动齿(4-1)为沿逆时针方向倾斜设置。

4.如权利要求1所述的压电驱动飞行器旋翼系统，其特征在于：所述纵振压电陶瓷组件(4-4)由2n(n≥1)片纵振压电陶瓷片与若干电极片组成，所述纵振压电陶瓷片和电极片的横截面形状皆为环形。

5.如权利要求4所述的压电驱动飞行器旋翼系统，其特征在于：所述纵振压电陶瓷组件(4-4)由四片纵振压电陶瓷片与五片电极片组成，相邻纵振压电陶瓷片之间布置一片电极片，纵振压电陶瓷片与上金属基体(4-3)端面之间布置一片电极片，所述上金属基体(4-3)、下金属基体(4-5)、纵振压电陶瓷片和电极片按照上述顺序通过环氧树脂粘接在一起。

6.一种压电驱动飞行器旋翼系统的工作方式，其特征在于：包括如下步骤：给纵振压电陶瓷组件施加电信号后，夹心式压电换能器产生奇数阶纵振，振动能量传递到驱动齿后，转换为具有一定相位差的纵向振动和弯曲纵振，由此复合而成纵弯复合超声振动，使驱动齿的末端的质点做椭圆运动，通过摩擦作用带动上转子、下转子沿着驱动齿倾斜的方向转动，带动上旋翼逆时针转动，下旋翼顺时针转动，实现平衡扭矩并提供升力。